Наблюдения радиотелескопа ALMA позволили группе учёных создать новый метод определения массы и возраста экзопланет в системе молодых звёзд.
Вращающиеся за пределами Солнечной системы планеты, удалённые от своей звезды, трудно идентифицировать и изучить прямого наблюдением. Однако, наблюдая вихревые возмущения в околозвездном диске молодых звезд, можно установить границы массы и возраста экзопланет. Это позволяет сформировать представление о свойствах вероятных орбитальных планет и их образовании.
Два отдельных научных труда, опубликованные в журнале «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society», представляют метод профессора Кембриджского университета Романа Рафикова и его аспиранта Николаса Цимермана. Цель исследования — установить предельные значения массы и возраста экзопланет, формирующих вихри в диске.
Образование вихрей в околозвездных дисках
Молодая звезда находится в окружении диска из газа и пыли. Под воздействием гравитации частицы в этом диске сближаются друг с другом, формируя более крупные объекты, например, астероиды и планеты.
ALMA может наблюдать эти объекты внутри околозвездного диска по провалам, которые появляются в кольцевой структуре.
Помимо следов телескоп с высоким разрешением обнаружил дугообразные структуры в областях рядом с кратерами, которые можно трактовать как скопления пыли.
Самые интересные объяснения появления этих дуг связаны с механизмом образования пылевых вихрей, вызванных неустойчивостью на краях провалов. Эта неустойчивость известна как волновая неустойчивость Россби (RWI). Вихри, подобные небольшим ураганам, могут сливаться при эволюции планетарной системы, образуя более крупные структуры — дуги или сгустки, наблюдаемые ALMA. При формировании планеты вокруг молодой звезды область ее вращения постепенно очищается. Внутри зазора плотность ниже, чем за его пределами. Разница в плотности, увеличиваясь, вызывает RWI, который разрушает диск и создает вихри.
Даже планеты с массой, составляющей лишь десятую часть массы Юпитера, способны создавать заметные провалы в дисках. Исследование Рафикова и Цимермана позволило установить пределы массы и определить возраст гипотетических планет, находящихся вдали от звезды, которые порождают эти небольшие вихри в диске.
Масса планет, формирующих торнадо.
Разработанный Рафиковым вместе со своим аспирантом метод основан на расчётах времени образования вихря, возникающего при формировании планеты в диске. Массивность планеты влияет на время возникновения нестабильности, приводящей к образованию вихря из-за большей гравитации. Значение времени полезно для определения массы и возраста планеты, ответственной за образование вихря на краю разрыва. Метод известен как «vortex weighing» и «vortex dating», то есть соответственно взвешивание и вихревое датирование.
Оценивая массу вихря, с учетом возраста центральной звезды, можно определить минимум возможной массы планеты. Такие вычисления основываются на двух главных факторах:
- Предполагаемый возраст звездной системы превышает возраст образовывающейся планеты.
- Наблюдаемые вихри указывают на то, что планета старше периода времени, понадобившегося для их возникновения из-за неустойчивости, присущей образованию самой планеты.
Известная масса формирующейся планеты благодаря моделям атмосферы видимой планеты или косвенным динамическим измерениям позволяла бы определить предельный возраст планеты. Для планет, порождающих вихри, наблюдаемые ALMA, такая информация недостаточно точна.
Получение точной оценки возраста экзопланеты имеет несколько преимуществ.
- Определить время, требующееся для образования планеты из космической пыли и газа околозвёздного диска.
- Оцените стабильность температуры и светимости планеты на протяжении её развития. Возраст светила оказывает влияние на оба показателя.
Исследования Рафикова и Цимермана не устанавливают обязательного значения планетарного возраста на данный момент. Для его уточнения необходимо определить максимально точное значение массы рассматриваемой планеты с помощью прямых наблюдений. Такие наблюдения, однако, сложны, особенно для малых планет, расположенных далеко от центральной звезды в системе.